高速公路路基巖溶病害治理分析

陳海龍

(建設部綜合勘察研究設計院深圳研究院,廣東深圳 518057)

高速公路路基巖溶病害治理分析

陳海龍

(建設部綜合勘察研究設計院深圳研究院,廣東深圳 518057)

為了研究路基巖溶病害的治理,以某高速公路為例,綜合運用多種調查方法了解場地路基的工程地質情況.經過分析,溶洞及巖溶水是影響路基穩定性的主要因素,對此提出了具體的治理方案,該方案對實際類似工程有一定的借鑒作用.

路基;巖溶;穩定性;治理

1 工程概況

某高速公路建設工程項目由于前期的勘察工作不盡詳細,在其后的施工中出現了大量的巖溶現象,路面下、路塹中均發現大型的溶洞及地下暗河(見圖1),給施工帶來極大的難度,路基的長期穩定也受到嚴重威脅.在這種情況下,快速、準確地查明巖溶發育情況,提出并實施相應的治理方案是非常必要的.

圖1 公路施工場區地質情況簡圖及A-A’剖面示意圖

2 巖溶調查

2.1 資料收集

本研究相關的資料主要來源于該段線路的詳細勘察報告,主要包括以下信息.

2.1.1 自然地理.

工程原始地貌單元屬溶蝕剝蝕丘陵及坡地.施工場地中部為一條140°～320°方向的山脊與山丘,南東與北西兩側為沖溝及丘坡,地形起伏較大,地面邊坡角為20°～40°.最高黃海高程為南側的山丘269.50 m,最低黃海高程為北側(K137+550北約100 m)的沖溝165.10 m,最大絕對高差100 m左右.山坡上植被發育一般,第四系殘坡積層覆蓋較薄,路基南東側為巖溶殘丘地貌,北西側為剝蝕丘陵地貌.

地內巖溶發育狀況為,南東側可見大量的溶芽、溶洞、溶槽及落水洞組成溶蝕地貌,北西側山脊形成剝蝕丘陵地貌.

施工場地屬亞熱帶季風濕潤氣候區,氣候濕和,日照充足,雨量充沛,年降雨量1 100～1 400 mm,春夏之交多暴雨,4～6月約占全年降水量的40%.大氣降雨是地表水、地下水的主要補給來源.場地內北東向與北西向沖溝發育,但地表水系不甚發育,7～10月地表干涸未見水流.雨季,地表水由溶溝、溶槽、落水洞滲入地下轉為地下水,地表水水流不多見.場地北東(K137+450)最大的溪流在旱季出現斷流.

2.1.2 區域地質及構造.

據施工圖階段工程地質勘察報告及該區域地質報告(1∶200000)等資料表明,區域地層主要由寒武系、奧陶系、志留系組成.施工場地僅為奧陶系的硅化瘤狀灰巖與寒武系板巖.區域構造為武陵運動抬升的北麓,主要為北東向,屬于中國巖溶分區只鄂西、湘西亞熱帶侵蝕—溶蝕復合作用巖溶區,其巖溶循北北動向壓性構造帶和與之相垂直的張性兼扭性的斷裂帶構成的“多字型”構造體系,巖溶化巖石受構造線控制,巖溶地貌分布也都受構造體系的約束.施工場地處于北東向馬鞍山背斜的北西翼,距馬鞍山背斜軸部約1 km.

2.1.3 地層巖性.

根據本次勘察所獲資料及收集的區域地質資料,可將場地內地層劃分為第四系植物層(QPd)、殘坡積層(Qdl+el)及基巖三大單元層.

(1)第四系植物層(QPd).種植土為土黃色、灰褐色,濕,結構松散,成份由粘粒、粉粒為主,含植物根須,為稻田、菜地的耕表土,層厚0.20～0.50 m.該層分布于山坡與沖溝內.

(2)第四系坡殘積層(Qdl+el).低液限粘土為褐紅色、土黃色、灰褐色,干—濕,可塑—硬塑狀,溶溝、溶槽內為軟塑狀.其厚度分布不均勻,沖溝內厚度一般為1～5 m,最大厚度大于5 m,山坡上厚度一般為0～3 m,溶溝、溶槽中厚度為0.5～3 m.該層分布較廣泛.

(3)奧陶系(O).弱風化硅化瘤狀灰巖(層序號3 -2)為灰色、紫紅色、醬色,隱晶—細晶結構,中—厚層狀構造,局部塊狀構造,硅、鈣質膠結,局部鐵泥質膠結,節理裂隙發育,結構面呈褐紅色,溶溝、溶槽、溶洞較發育,且以垂直發育為主,部分充填—無充填,充填物為粘土與巖石碎塊.該層分布于路基與東南部,傾覆于西北部.

(4)寒武系板巖(∈).灰黃色、灰黑色、灰色,泥質結構,薄—中厚層狀構造,巖層產狀,傾向290°～330°,傾角35°～45°,節理裂隙較發育,巖石較破碎,抗風化能力弱,浸水易軟化,強風化巖呈土黃色,灰色巖石呈碎渣狀,山坡上厚度為0～10 m,變化較大,沖溝內厚度較小,厚度0～5 m.弱風化巖巖石較硬,巖石大部分呈碎塊狀—大塊狀,該層分布于場地的北西部.

2.2 地表測繪及洞穴調查

地表測繪主要完成了以下任務：地下水出露點的位置及其水量季節變化調查;場區內所出露的兩種巖石的產狀、裂隙發育情況以及接觸關系.

洞穴調查主要工作包括：溶洞的位置、形態、深度,地下暗河測繪(延伸方向、頂板穩定性、裂隙).

將上述信息綜合在一起,就得到一張場區地質簡圖,據此可初步推斷得出,巖溶的發育方向與巖層的走向基本一致.

2.3 物探工作布置

根據工程施工場地的實際情況,物探工作采用高密度電阻率法[1],探測剖面與巖層走向大致垂直,間隔20～30 m.

2.3.1 物探工作方法.

物探工作采用MNB三極裝置,其工作程序是：測量時測量極不動,供電極逐點向右移動,得到一條滾動線;然后,測量極和供電極同時向右移動一個電極,測量極不動,供電極向右移動,得到另一條滾動線.這樣不斷滾動測量下去,可得到參數ρs的矩形斷面,再經過計算機處理得到反映該測線下面一定深度范圍內巖土電性變化的視電阻率剖面圖.

2.3.2 工作參數.

探測工作開始之前,需進行現場實測試驗,即在已知鉆孔位置或其他已知地下目標體位置進行多參數測試,確定地表覆蓋層及基巖、巖溶發育區的物探結果的電性特征,定出最優探測參數,以便獲得滿意的探測圖像和數據結果.通過多參數的對比探測、試驗,選定工作參數如下：探測方式為MNB裝置;最小極距為1 m、2 m;剖面總數為30;供電電壓為180～360 V.

2.3.3 探測質量檢查.

為確保探測質量,在現場工作時,按各儀器操作手冊、技術規范嚴格執行,改善激發、接收、接地條件,克服現場隨機干擾.對此,本研究采用了同位置重復檢測的自檢以及選擇有代表性的工點采用不同的儀器和操作人員重復觀測.經過工程實踐,為確保探測數據的質量,每10條測線進行一條測線的重復觀測,進行數據采集檢查,在分析解釋工作中,采用多種軟件進行數據處理,計算機成圖,同一測線二次觀測的結果位置絕對誤差不超過0.2 m.

2.4 鉆探工作布置

鉆探工作的主要目的是對測繪與物探成果的證實,同時根據其所揭露溶洞的情況,對溶洞頂板的厚度有一定的把握.如圖1中ZK11鉆孔位置就是物探剖面反應有溶洞的存在,經鉆探證實確實存在溶洞.

2.5 綜合分析及評價

對上述工作進行分析總結,可以得出：

(1)施工場區巖溶發育主要受兩組裂隙控制：一組屬縱張性,為主導裂隙,控制暗河的走向,其特征為走向基本與巖層走向一致,傾向130°～150°,傾角65°～80°,一般垂直巖層傾向切割,且深度大,呈閉合型,裂隙面粗糙,一般為紫紅色,粘土充填與方解石脈充填.另一組呈張扭性,與第一組裂隙呈垂直關系,其特征為一般垂直巖層傾向切割巖體,具等距性,傾向40°～60°,傾角80°～88°,裂隙面為上寬下窄,在灰色瘤狀灰巖中多形成溶溝、溶槽,局部形成落水洞與溶洞,地表被粘土全充填.在紫紅色瘤狀灰巖中,溶蝕現象不突出,節理裂隙都被粘土充填.該組裂隙是接受大氣降水補給,滲入巖體中形成地下水的重要通道.巖溶通道分布總體呈齒狀,另外在地下水長期作用下層面間泥化夾層發育.

(2)根據測繪、物探、鉆探資料確定溶洞頂板標高距路面設計標高1.8 m～3.0 m.洞穴調查表明,頂板裂隙發育,在開挖震動過程中時有發生大量的大塊巖石從洞頂墜落現象;洞寬約為3.0～6.0 m,洞高約為1.5～5.5 m,頂板穩定性總體上差,需采取有效的處理措施.

3 治 理

根據以上調查分析,對路基穩定存在威脅因素主要是溶洞及巖溶水.因此,必須對路基下洞室頂板的穩定性作出評價并進行針對性治理.

3.1 穩定性分析

對所掌握的資料進行分析,決定采用定性法之綜合分析法與半定量法中的頂板厚跨比法(h/L)對場區內洞室頂板進行穩定性分析[6].

(1)對頂板穩定性有不利影響的諸多因素中,會造成路基下洞室頂板失穩的主要因素有：①構造應力作用下發育的裂隙(特別是上文中提到兩組控制裂隙);②地下水作用下巖層間發育的泥化夾層;③巖層厚度(中厚層)對洞徑的比值小;④洞室埋藏深度相對路面設計標高而言較淺;⑤地下水對洞室的作用仍然存在.另外,開挖施工也會造成洞室的整體穩定性的減弱.因此,初步判定場區路基下洞室頂板穩定性差,難以滿足設計強度要求.

(2)根據頂板厚跨比法,對照上文中的相關數據,得h/L值在0.3～0.5 m之間.因此,按照h/L≥1.0為安全界限,洞室頂板達不到穩定性安全要求.

3.2 洞室的處理

根據路基下洞室頂板強度穩定性分析的結果,需要對洞室采取相應的處理措施,以確保路面的長期穩定.經過對場地諸多影響因素的考慮,決定先將路基下洞室的頂板鑿開,然后將洞室中的泥及塊石清掉,最后用卵石填實.這樣,既可以承受上部的荷載,又能保證地下水的暢通.洞室處理前后典型剖面圖如圖2所示.

圖2 洞室處理前后典型剖面示意圖

4 結 語

針對路基巖溶病害調查的特點,在研究各種常用調查方法之后,結合實際工程實踐,提出了一套綜合調查方法,即：由資料收集→地質測繪→工程物探→工程鉆探→綜合分析及評價,同時,再根據分析成果提出合理的治理方案.該工作方法在實際的某高速公路建設路基巖溶病害治理中取得了良好的效果.

[1]張致付,程志平.物探方法在探測巖溶構造中的應用[J].桂林工學院學報,2003,23(1)：75-78.

[2]李彥軍.巖溶地質綜合勘察方法[J].鐵道建筑,2000,40 (5)：25-29.

[3]吳治生.巖溶病害路基注漿機理及設計[J].路基工程, 2003,21(5)：46-50.

[4]陳國亮.巖溶地區地面塌陷的評價與處理[J].工程勘察, 1983,31(1)：25-30.

[5]周建普,李獻民.巖溶地基穩定性分析評價方法[J].礦業工程,2003,23(1)：4-8.

Analysis on Disease Treatment for Roadbed K arst of Highway

CHEN Hailong

(Shenzhen Branch,China Institute of Geotechnical Investigation and Surveying,Shenzhen 518057,China)

In order to analyze disease treatment for roadbed karst,a highway was taken as an example.Several survey methods were comprehensively used to learn the spot engineering geology.It was found that water-eroded cave and the water were critical factors influencing the stability of roadbed and a specific treatment plan was proposed,which can be references for some similar engineering projects.

roadbed;karst;stability;treatment

TU478

：A

1004-5422(2012)03-0287-03

2012-06-15.

陳海龍(1979—),男,工程師,從事巖土工程施工技術研究.